Automatisierungstechnik für Prüfstände: Motoren auf die Probe stellen

Bei ihren Qualitätskontrollen nehmen Autohersteller Motoren stichprobenartig von der Fertigungsstraße, die dann  strengen Prüfungen unterzogen werden, um sicherzustellen, dass sie allen kritischen Anforderungen und Designvorgaben entsprechen. Neulich entschied sich einer der führenden Hersteller von Pkw-Motoren in Polen, seine Prüfstandards auf die nächste Qualitätsstufe zu bringen. In der Fertigungsanlage standen zwei Motorenprüfstände, die über viele Jahre ihre Aufgabe hervorragend erfüllt hatten, die aber unzuverlässig wurden und nicht mehr den aktuellen Anforderungen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit entsprachen.
Als Technologieführer im Bereich Motorenfertigung war dem Unternehmen diese unbefriedigende Situation  klar. Deswegen wurde eine umfangreiche Sanierung der Prüfstände beschlossen, wobei die Messsysteme und die Antriebe für die elektrischen Motoren komplett erneuert wurden. Eine möglichst kurzfristige und schnelle Erledigung der Arbeit war besonders wichtig.

Herausforderung

Zur Durchführung des Projekts brauchte der Motorhersteller einen Technologiepartner, der eine schelle Lieferung  und Umsetzung garantieren konnte. Notwendig war auch eine Lösung, die sich einfach  in das vorhandene Steuerungssystem integrieren ließ. Zudem sollte der Partner über ein umfassendes Verständnis des  Prüfverfahrens verfügen, damit eine optimale  Auslegung der neuen Anlage gesichert werden konnte.
Bei einer  Prüfung müssen zum Beispiel die Betriebsparameter des Motors unter Last gemessen werden. Dazu wird der Motor auf einem Prüfstand montiert, der die Verhältnisse simuliert, mit denen beim normalen Betrieb eines Pkws  zu rechnen ist. Der Motor wird über mehrere Drehzahlbereiche unter verschiedenen Lasten betrieben. Dabei werden Parameter wie etwa Drehmoment, Kraftstoffverbrauch, Öl- und Kühlmitteltemperatur gemessen und aufzeichnet.
Die Prüfungen dauern einige Stunden bis mehrere Tage. Nach der Prüfung werden einige Motoren abgebaut, um den Verschleiß der bewegten Teile, beispielsweise der Kolbenringe, Zylinderblöcke und Ventile, zu messen.

Lösung

Für die Prüfungen muss der Motor auf dem Prüfstand mit einem elektrischen Motor mechanisch gekoppelt werden. Dieser Motor hat zwei Grundfunktionen: Während der Anfangsphasen der Prüfung dient er zum Anlassen des Verbrennungsmotors. Dies ist erforderlich, da Verbrennungsmotoren kein Drehmoment bei Stillstand liefern und daher von einem Hilfsmotor gedreht werden müssen.
Ist die Drehzahl des Verbrennungsmotors höher als die Leerlaufdrehzahl, läuft der Rotor im Elektromotor schneller als das elektromagnetische Feld, und der Motor wirkt als Generator. Durch eine Regelung der Kraftstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor sowie der Versorgungsspannung und Frequenz des Elektromotors kann der Prüfstand die Leistung des Verbrennungsmotors unter verschiedensten Betriebsbedingungen auswerten.
Zur Ansteuerung der Elektromotoren in modernen Motorenprüfständen kommen Vierquadranten-Frequenzumrichter zum Einsatz, da sie die Rückspeisung der Energie ins Netz erlauben, die von den Motoren im Generatorbetrieb erzeugt wird. Dies führt zu einer  Erhöhung der Energieeffizienz sowie zu erheblichen Kosteneinsparungen.
In enger Zusammenarbeit mit Systemintegrator Simlogic lieferte  Eaton für dieses Projekt zwei vierfeldrige  MCC-Anlagen, die mit Vierquadranten-Frequenzumrichtern ausgestattet wurden. Dabei war Simlogic für die gesamte Integration des Systems (zum Beispiel der Kraftstoffzufuhr usw.) verantwortlich. Die Umrichter basieren auf den von Eaton  gelieferten Frequenzumrichtern der SPI-Serie und den aktiven Gleichrichtermodulen der SPA-Serie  mit LCL-Filtern. Die in den Prüfständen verwendeten Motoren haben eine Leistung von 220 kW. Dabei erfolgt  die Kommunikation zwischen den Umrichtern und dem übergeordneten Leitsystem über Profibus  DP. Für das Projekt wurden auch die Gehäuse der xEnergy-Serie von Eaton verwendet.
„Bei der Realisierung dieses Projekts mussten wir die Ergebnisse eines umfangreichen Sicherheitsaudits sowie die Änderungen zu vorher gestellten Anforderungen für die Prüfstände berücksichtigen“, erklärte Mariusz Jablonski, Inhaber von Simlogic. „Aus diesem Grund stellte das optimale Design und die Parametrierung des Systems eine große Herausforderung dar.“ „Zum Beispiel wurde beim Design klar, dass mit der standardmäßig ausgeführten oberen Abdeckung eine ausreichende Lüftung für die in den Gehäusen eingebauten Komponenten nicht möglich war. Im F&E-Bereich von Eaton wurde jedoch schnell eine Lösung gefunden. Innerhalb von zwei Wochen hatte das F&E-Team eine kundenspezifische obere Abdeckung mit einer doppelten Lüftungsleistung konstruiert, hergestellt und geliefert, die perfekt auf diese Anwendung abgestimmt war.“

Ergebnis

Das gesamte Projekt wurde erfolgreich im Budgetrahmen und termingerecht abgeschlossen. Robert Konieczny, Automatisierungspezialist beim Volkswagen Centre for Technology and Innovation in Polen, kommentierte das Projekt wie folgt: „Bei den bisherigen Prüfständen, die seit vielen Jahren im Einsatz an unserem Standort waren, konnten unsere Anforderungen nicht mehr erfüllt werden. Vor allem gab es bei den Prüfständen Mängel in der Qualität und der Zuverlässigkeit der Steuerung sowie in den Möglichkeiten der Automatisierungssysteme, die Prüfstände zu überwachen und auf die Einstellungen zuzugreifen. Aufgrund des Alters der Prüfstände wurden Wartungs- und Serviceeinsätze häufiger notwendig.“
„Durch eine Sanierung mit den oberwellenarmen, regenerativen Antrieben von Eaton wurden diese Probleme behoben. Da die erneuerten Prüfstände seit mehreren Monaten im Betrieb sind, kann ich bestätigen, dass die Lösung von Simlogic und Eaton unsere Erwartungen und Anforderungen in jeder Hinsicht voll erfüllt.“ (anm)